矩陣式 LED 調(diào)光器助力實(shí)現(xiàn)色彩鮮艷亮麗的 LED 燈

RGB LED 串用于投影儀、建筑、顯示器、舞臺(tái)和汽車(chē)照明系統(tǒng)，因?yàn)檫@類(lèi)系統(tǒng)需要高效率、明亮的光輸出。一個(gè) RGB LED 串要產(chǎn)生預(yù)期的色彩，其中每個(gè) LED (紅、綠和藍(lán)光) 都需要獨(dú)立和準(zhǔn)確的調(diào)光控制。高端系統(tǒng)可以使用一個(gè)光反饋環(huán)路，以使微控制器能夠調(diào)節(jié) RGB LED 串，提供準(zhǔn)確的色彩。給 RGB LED 串增加一個(gè)白光 LED，形成一個(gè) RGBW LED 串，就可以增加彩色照明系統(tǒng)可用的色彩、飽和度和亮度值。每個(gè) RGBW LED 串中的 4 個(gè) LED 都需要進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)光。兩個(gè) RGBW LED 串需要 8 個(gè)“通道”。

驅(qū)動(dòng) RGBW LED 串以實(shí)現(xiàn)色彩和亮度控制的方式多種多樣。一種驅(qū)動(dòng) RGBW LED 串并調(diào)節(jié)其亮度的方式是使用 4 個(gè)單獨(dú)的 LED 驅(qū)動(dòng)器，分別用于 4 種顏色 (R、G、B 和 W)，如圖 1a 所示。在采用這種方式的系統(tǒng)中，每個(gè)單獨(dú)的 LED 或 LED 串的電流 (或稱(chēng) PWM 調(diào)光) 是由單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)器和控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)的。不過(guò)，在這類(lèi)解決方案中，LED 驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量會(huì)隨著 RGBW LED 串?dāng)?shù)量的增加而迅速增多。任何采用大量 RGBW LED 串的照明系統(tǒng)都需要大量驅(qū)動(dòng)器，對(duì)這些驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)進(jìn)行同步的工作量也很大。

一種簡(jiǎn)單得多 (也更便捷) 的方法是，用單個(gè)驅(qū)動(dòng)器 / 轉(zhuǎn)換器以固定電流驅(qū)動(dòng)所有 LED，同時(shí)用一個(gè)并聯(lián)功率 MOSFET 矩陣對(duì)各個(gè) LED 進(jìn)行 PWM 調(diào)光以實(shí)現(xiàn)亮度控制。如圖 1b 所示的矩陣式調(diào)光器和單個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)器減小了圖 1a 解決方案的電路尺寸。此外，用單條通信總線(xiàn)控制矩陣式 LED 調(diào)光器使 RGBW LED 色彩混合系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單和緊湊，同時(shí)驅(qū)動(dòng)大電流 RGBW LED 串時(shí)，色彩和亮度控制也很準(zhǔn)確。

圖 1a

圖 1b

圖 1a 和 1b：(1a) 在大功率色彩混合應(yīng)用中，8 個(gè)單獨(dú)的 LED 驅(qū)動(dòng)器和 PWM 信號(hào)可用來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè) RGBW LED 串，或者 (1b) 可用具串行通信功能的單個(gè)升壓-降壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器和矩陣式 LED 調(diào)光器實(shí)現(xiàn)小得多、也緊湊得多的解決方案。

LT3965 矩陣式 LED 調(diào)光器可實(shí)現(xiàn)這樣的設(shè)計(jì)，如圖 5 所示。每個(gè)LT3965 的 8 個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣式調(diào)光器可以與整整兩個(gè) RGBW LED 串配對(duì)使用，從而允許在零至 100% 亮度之間、以 1/256 的 PWM 步進(jìn)單獨(dú)控制每個(gè) LED (紅、綠、藍(lán)和白光) 的亮度。兩線(xiàn) I²C 串行接口命令為所有 8 個(gè)通道提供色彩和亮度控制。提供給矩陣式 LED 調(diào)光器 IC 的 I²C 串行接口代碼決定所有 8 個(gè) LED 的亮度狀態(tài)，并可以在發(fā)生故障的情況下，檢查 LED 是否開(kāi)路或短路。

既然 RGBW LED 串中的每個(gè) LED 都設(shè)計(jì)成單點(diǎn)光源，那么紅、綠、藍(lán)和白光合起來(lái)就產(chǎn)生了多種多樣的色彩，而且飽和度、色彩和亮度是可控的。憑借高速 LT3965 矩陣式調(diào)光器，可以在零 (0/265) 和 100% (256/256) 亮度之間、以 1/256 調(diào)光步進(jìn)設(shè)定每個(gè) LED 的亮度。

準(zhǔn)確的 0 ~ 256 級(jí)RGBW 色彩及亮度控制

通過(guò)對(duì) RGBW LED 串中的紅、綠、藍(lán)和白光 LED 單獨(dú)進(jìn)行 PWM 調(diào)光，RGBW LED 可以產(chǎn)生準(zhǔn)確的色彩和亮度。單獨(dú)進(jìn)行的 PWM 亮度控制可支持 256:1 或更高的調(diào)光比。取代 PWM 調(diào)光的另一種方法是，簡(jiǎn)單地降低每個(gè) LED 的驅(qū)動(dòng)電流，但這種方法會(huì)影響準(zhǔn)確度，因此僅允許 10:1 的調(diào)光比，而且這種方法導(dǎo)致 LED 本身產(chǎn)生色偏移。采用 PWM 調(diào)光的矩陣式調(diào)光方法與降低驅(qū)動(dòng)電流的方法相比，前者的色彩及亮度準(zhǔn)確度會(huì)更高。

LED 驅(qū)動(dòng)器 (提供 500mA LED 電流) 的帶寬和瞬態(tài)響應(yīng)會(huì)影響色彩準(zhǔn)確度。圖 5 中緊湊的升壓-降壓型轉(zhuǎn)換器的交叉頻率高于 10kHz，輸出電容器很小或沒(méi)有輸出電容器，隨矩陣式調(diào)光器接通或斷開(kāi)其開(kāi)關(guān)，該轉(zhuǎn)換器可對(duì)所驅(qū)動(dòng) LED數(shù)量的變化迅速做出響應(yīng)。

為了說(shuō)明快速瞬態(tài)響應(yīng)對(duì)準(zhǔn)確度而言多么重要，我們以不同的 PWM 占空比單獨(dú)運(yùn)行紅、綠和藍(lán)光 LED，并用一個(gè) RGB 光傳感器測(cè)量這些 LED 的光輸出。圖 3 中的結(jié)果顯示，在 4/256 至 256/256 范圍內(nèi)，每種顏色的斜率是一致的，在低于這個(gè)范圍時(shí)斜率稍有變化。當(dāng)然，紅、綠和藍(lán)光 LED 的色彩性能并不是完美無(wú)缺的，因此，甚至在僅驅(qū)動(dòng)一種顏色的 LED 時(shí)，有些顏色還是會(huì)從其他頻帶上泄漏出來(lái)。不過(guò)，總的來(lái)看，這是一個(gè)高度準(zhǔn)確的系統(tǒng)。

圖 2：用 LT3965 矩陣式調(diào)光器對(duì) 500mA RGBW LED 串的電流進(jìn)行 PWM 調(diào)光和調(diào)相，以產(chǎn)生各種色彩和照明圖案。在對(duì)各個(gè) LED 進(jìn)行單獨(dú)的 PWM 調(diào)光時(shí)，LT3952 升壓-降壓型轉(zhuǎn)換器 / LED 驅(qū)動(dòng)器非常容易跟上 LED 電壓的迅速變化。

圖 3：PWM 調(diào)光占空比在 0/256 – 256/256 之間變化時(shí)，對(duì)紅、綠、藍(lán)和白光亮度的控制情況。PWM 調(diào)光占空比由矩陣式 LED 調(diào)光器控制，該調(diào)光器與 LT3952 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器配對(duì)使用，如圖 5 所示。

采用帶寬非常大 (>40kHz) 的降壓型轉(zhuǎn)換器 LED 驅(qū)動(dòng)器時(shí)，直至 1/256 PWM 調(diào)光范圍的準(zhǔn)確度都可改善，但是要這么做，或者需要增加另一個(gè)升壓型轉(zhuǎn)換器，以提供一個(gè)穩(wěn)定和高于 30V 的輸出電壓，因而增加了成本，或者需要一個(gè)高于 30V 的輸入電壓源。除非在極低光輸出時(shí)必須提供非常高的準(zhǔn)確度，否則沒(méi)什么理由額外增加一個(gè)轉(zhuǎn)換器，而放棄圖 5 中通用、簡(jiǎn)單和尺寸緊湊的升壓-降壓型轉(zhuǎn)換器。

這里描述的矩陣式調(diào)光 RGBW LED 色彩混合器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了非常寬的色域，如圖 4 所示。增加額外的顏色，例如琥珀色，還可以進(jìn)一步擴(kuò)展色域。RGBWA LED 串 (包括一個(gè)琥珀光 LED) 可以產(chǎn)生 RGBW LED 串無(wú)法產(chǎn)生的深黃色和深橘黃色。這些 LED 也可以用矩陣式調(diào)光器驅(qū)動(dòng)，不過(guò)與 8 通道矩陣式調(diào)光器很好匹配的是兩個(gè) RGBW LED。

圖 4：RGB LED 串提供很寬的色域。簡(jiǎn)化色彩混合算法的方式之一是增加白光 LED。在有些混合方法中，白光 LED 用來(lái)改變飽和度，同時(shí)用紅光、綠光和藍(lán)光 LED 設(shè)定色彩。

LT3965 的 256 級(jí)調(diào)光方法非常容易對(duì)應(yīng)于典型的 RGB 著色程序和常見(jiàn)的色彩混合算法。例如，如果打開(kāi)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 PC 著色程序就會(huì)看到，色彩混合是通過(guò) 256 個(gè)值的 RGB 系統(tǒng)完成的，如圖 6 所示。再比如，圖 2 中的 LED 電流波形用一個(gè) RGBW 矩陣式 LED 系統(tǒng)產(chǎn)生紫色光，而這個(gè)矩陣式 LED 系統(tǒng)是由基本 PC 著色程序控制的。由于本文描述的設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生準(zhǔn)確的電流驅(qū)動(dòng)和 PWM 控制，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè) LED 的占空比，按照預(yù)期對(duì)RGBW LED串進(jìn)行色彩校準(zhǔn)，從而可簡(jiǎn)便地抵消固有的 LED 亮度變化。

圖 5：LT3965 矩陣式 LED 調(diào)光器與 LT3952 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器一起使用，控制兩個(gè) 500mA RGBW LED 串中各個(gè) LED 的色彩，以串行通信方式控制色彩和照明圖案。

(6a)

(6b)

(6c)

圖 6：用標(biāo)準(zhǔn) PC 色彩選擇器可以選擇色彩。矩陣式調(diào)光器使用的 256 個(gè)值 (0 - 256) 可以與典型 RGB 系統(tǒng)中使用的 0 – 255 對(duì)應(yīng)。例如，RGB (128、10、128) 產(chǎn)生紫色光。如以上照片中所見(jiàn)，矩陣式調(diào)光器可以使一個(gè)真實(shí)的 RGBW LED 串產(chǎn)生預(yù)期色彩，從而簡(jiǎn)化照明設(shè)計(jì)師的工作。(6a) 選擇一種顏色。(6b) 使 RGB 值與 LT3965 LED 矩陣式調(diào)光器的調(diào)光比相對(duì)應(yīng)。(6c) 用 PC 設(shè)定調(diào)光比的值，之后可以看到結(jié)果。

采用升壓-降壓型驅(qū)動(dòng)器的矩陣式 LED 色彩混合器

矩陣式調(diào)光器需要合適的 LED 驅(qū)動(dòng)器，以能夠用多種輸入給 8 個(gè) LED 組成的 LED 串供電，例如標(biāo)準(zhǔn) 12V ±10% 電源、9V 至 16V (汽車(chē)電池) 或 6V 至 8.4V (鋰離子電池)。這類(lèi)驅(qū)動(dòng)器解決方案之一是 LT3952 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器，從輸入至 LED，該解決方案既可升高也可降低電壓，同時(shí)提供低紋波輸入和輸出電流。在該器件的浮置輸出拓?fù)渲?，輸出電容器很小或沒(méi)有輸出電容器，因此在以接通斷開(kāi)方式對(duì)各個(gè) LED 進(jìn)行 PWM 調(diào)光以控制色彩和亮度時(shí)，該器件能夠快速響應(yīng) LED 電壓的變化 (圖 2)。

圖 5 所示的 LT3952 500mA 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器與 8 開(kāi)關(guān)矩陣式 LED 調(diào)光器 LT3965 以及兩個(gè) RGBW 500mA LED 串一起使用。當(dāng)串聯(lián) LED 數(shù)量在 0 至 8 個(gè)范圍內(nèi)變化時(shí)，這種新的升壓-降壓型拓?fù)淇梢栽?0V 至 25V 輸出電壓范圍內(nèi)順暢地運(yùn)行。串聯(lián) LED 的瞬時(shí)電壓隨時(shí)變化，怎樣變化取決于，在任意給定瞬間，矩陣式調(diào)光器啟動(dòng)和禁止了哪些以及多少 LED。這個(gè)轉(zhuǎn)換器 / 拓?fù)涞?60V OUT 電壓 (V_IN 和 V_LED 之和) 以及轉(zhuǎn)換器占空比針對(duì) 6V 至 20V 的整個(gè)輸入范圍以及 0V 至 25V/500mA 的輸出范圍 (串聯(lián) LED 電壓) 做出了規(guī)定。

矩陣式調(diào)光器用并聯(lián)功率 MOSFET 對(duì) LED 分流，以此控制 LED 亮度。無(wú)論是浮置輸出升壓-降壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器還是矩陣式 LED 調(diào)光器，都不要求 LED 接地。只要 LT3965 的 V_IN 引腳連至 SKYHOOK，所有并聯(lián) MOSFET 都可以正常工作，電壓至少比 LED+ 高 7.1V。SKYHOOK 電壓可以由開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的充電泵產(chǎn)生，也可以由一個(gè)穩(wěn)定的電源提供，當(dāng)然該電源電壓要至少比預(yù)期的 LED+ 最高電壓高 7.1V (在這種情況下，為 20V V_IN 最大值加上 25V LED 最大值)。采用 3mm x 2mm DFN 封裝的纖巧 LT8330 升壓型轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生 SKYHOOK 電壓是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

一個(gè)可選外部時(shí)鐘器件用來(lái)在 350kHz 時(shí)同步系統(tǒng)，這種方法適合汽車(chē)環(huán)境，因?yàn)樾氏鄬?duì)較高，且允許使用緊湊型組件。盡管這個(gè)系統(tǒng)同樣可以在 2MHz (高于 AM 頻段) 上運(yùn)行，但當(dāng)矩陣式調(diào)光器使所有 LED 都短路，且 LED 串電壓降至 330mΩ • 500mA • 8 = 1.3V 時(shí)，350kHz (低于 AM 頻段) 使這個(gè)升壓-降壓型轉(zhuǎn)換器無(wú)需采用脈沖跳躍模式，就能夠執(zhí)行調(diào)節(jié)功能。這個(gè)頻率還支持高調(diào)光比而不會(huì)產(chǎn)生可見(jiàn)的 LED 閃爍。

LED 接通或斷開(kāi)時(shí)的啟動(dòng)順序

矩陣式 LED 調(diào)光器系統(tǒng)可以設(shè)定以在所有 LED 都接通或斷開(kāi)時(shí)啟動(dòng)。如果在所有 LED 都斷開(kāi)時(shí)啟動(dòng)，那么這些 LED 的亮度就可以和緩地漸變，或者以設(shè)定的色彩和亮度啟動(dòng)，例如 10% 亮度的綠-藍(lán)光。如果在串行通信系統(tǒng)發(fā)出命令指示調(diào)光器該做什么之前，所有 LED 都以 500mA 滿(mǎn)標(biāo)度電流啟動(dòng)，那么在串行通信啟動(dòng)之前，可能看到明亮的全“白色”光。

無(wú)論以哪種方式啟動(dòng)，LT3965 都應(yīng)該在接收 I²C 串行通信命令之前加電，否則當(dāng)該器件進(jìn)行加電復(fù)位 (POR) 時(shí)，初始通信命令可能丟失。當(dāng) EN/UVLO 引腳向上穿過(guò) 1.2V 門(mén)限時(shí)，就會(huì)發(fā)生 POR。既然這個(gè)電壓以 SKYHOOK 至少比 LED+ 高 7.1V 這一事實(shí)為基礎(chǔ)，那么任何時(shí)候只要加上高的 SKYHOOK 電壓后就能發(fā)生，例如用一個(gè)小型升壓型穩(wěn)壓器提供 55V，或者來(lái)自 LT3952 開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的充電泵電壓足夠高以提供 SKYHOOK 電壓后也會(huì)發(fā)生。在由充電泵提供 SKYHOOK 電壓的情況下，充電泵提供 SKYHOOK 電壓之前，也許存在 LED 電流，因此在 LT3965 的開(kāi)關(guān)斷開(kāi) LED 之前，LED 會(huì)發(fā)光。這是一種簡(jiǎn)單的解決方案，設(shè)計(jì)師想讓 LED 以最大亮度接通啟動(dòng)時(shí)，可以使用這種方案。

要讓 LED 開(kāi)始工作，必須在 LT3952 接通之前存在高的 SKYHOOK 電壓。如圖 6 所示，如果 PWM 引腳在啟動(dòng)時(shí)保持低電平，那么 LT3952 就不啟動(dòng)，直到外部信號(hào)命令該器件啟動(dòng)為止，例如由主微控制器發(fā)來(lái)這樣的信號(hào)。一旦 SKYHOOK 電壓出現(xiàn)，該微控制器就可以向 LT3965 發(fā)送 I²C 設(shè)置命令，將 LT3965 的開(kāi)關(guān)設(shè)置到 LED OFF 位置，之后電流將流向這些開(kāi)關(guān)。設(shè)置完成后，就可以確認(rèn) LT3952 PWM，然后電流開(kāi)始流經(jīng)已經(jīng)短路的 LT3965 開(kāi)關(guān)，LED 則處于關(guān)斷狀態(tài)。之后，出現(xiàn)亮度漸變的啟動(dòng)，或者 LT3965 調(diào)光器可能躍變至特定色彩或亮度。

一發(fā)生復(fù)位，LT3952 的 PWM 必須再次拉低以將其關(guān)斷，并在 LED 關(guān)斷位置重新啟動(dòng)。在圖 5 所示情況下，LT8330 這類(lèi)簡(jiǎn)單的微功率升壓型轉(zhuǎn)換器可在 6V 至 20V 輸入電壓范圍內(nèi)提供 55V 輸出。通過(guò)確認(rèn) ALERT 標(biāo)記，微控制器接收表示 LT3965 已加電并準(zhǔn)備好接收串行通信命令的信號(hào)。在任何開(kāi)關(guān)被短路之前，由于開(kāi)關(guān)兩端電壓為零，所以通過(guò) LED 的電流為零，這種狀態(tài)被解釋和報(bào)告為短路故障。只有在通過(guò) SKYHOOK 給 LT3965 加電后，才會(huì)確認(rèn)這個(gè)標(biāo)記。

結(jié)論

LT3965 矩陣式 LED 調(diào)光器可以與升壓-降壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器配對(duì)使用，以構(gòu)成一個(gè)色彩準(zhǔn)確的 RGBW LED 色彩混合器系統(tǒng)。LT3952 可用來(lái)在 6V 至 20V 輸入范圍內(nèi)以 350kHz 開(kāi)關(guān)頻率和 500mA 電流驅(qū)動(dòng)兩個(gè) RGBW LED 串。這種通用系統(tǒng)可由汽車(chē)電池、12V 電源或鋰離子電池供電。之所以能夠?qū)崿F(xiàn)很高的色彩準(zhǔn)確度，是因?yàn)檎谏暾?qǐng)專(zhuān)利的升壓-降壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)，并能夠通過(guò) 256:1 的 I²C 控制矩陣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的調(diào)光控制。LT3965 可設(shè)定為啟動(dòng)時(shí)，所有 LED 都斷開(kāi)，并以漸變亮度啟動(dòng)，或直接跳躍至特定色彩?？梢栽黾庸夥答? (通過(guò)微控制器) 以提高色彩準(zhǔn)確度，盡管不是必須這么做。